兩個雙極晶體管的達林頓晶體管配置為給定的基極電流提供增加的電流切換

以其發(fā)明者Sidney Darlington命名的達林頓晶體管連接在一起的兩個標準NPN或PNP雙極結型晶體管（BJT）的排列。一個晶體管的發(fā)射極連接到另一個晶體管的基極，以產(chǎn)生更靈敏的晶體管，其電流增益大得多，可用于需要電流放大或開關的應用。

達林頓晶體管可以由兩個單獨連接的雙極晶體管或單個封裝的單個器件制成，標準配置為：基極，發(fā)射極和集電極連接引線，可提供多種外殼類型和電壓（和電流） NPN和PNP版本的評級。

正如我們在晶體管作為開關教程中看到的，以及用作放大器的雙極結型晶體管（BJT） ）可以作為ON-OFF開關操作，如圖所示。

雙極晶體管作為開關

當NPN晶體管的基極接地（0伏）且沒有基極電流， Ib 流動時，沒有電流從發(fā)射極流到集電極和tra因此，nsistor被切換為“OFF”。如果基極正向偏壓超過0.7伏，則電流將從發(fā)射極流到集電極，并且晶體管被稱為“接通”。當在這兩種模式下工作時，晶體管作為開關工作。

這里的問題是晶體管Base需要在零和一些大的正值之間切換，晶體管在這一點上變得飽和增加的基極電流 Ib 流入器件，導致集電極電流 Ic 變大，而 Vce 小。然后我們可以看到基極上的小電流可以控制在集電極和發(fā)射極之間流動的大得多的電流。

集電極電流與基極電流之比（β）被稱為晶體管的電流增益。標準雙極晶體管的β的典型值可以在50到200的范圍內(nèi)，并且甚至在相同部件號的晶體管之間變化。在某些情況下，單個晶體管的電流增益太低而無法直接驅動負載，增加增益的一種方法是使用達林頓對。

A達林頓晶體管配置，也稱為“達林頓對”或“超級α電路”，由兩個連接在一起的NPN或PNP晶體管組成，這樣第一個晶體管的發(fā)射極電流 TR 1 成為第二個晶體管的基極電流 TR 2 。然后晶體管 TR1 作為射極跟隨器連接， TR2 作為共發(fā)射極放大器連接，如下所示。

另請注意，在此達林頓對配置中，從機或控制晶體管的集電極電流 TR1 與主開關晶體管 TR2 的集電極電流“同相”。

基本達林頓晶體管配置

以NPN達林頓對為例，兩個晶體管的集電極連接在一起， TR 1 的發(fā)射器驅動 TR 2 的基數(shù)。此配置實現(xiàn)β倍增，因為對于基極電流 i b ，集電極電流β* i b 其中當前增益大于1或單位，這被定義為：

但基本電流， I B2 等于晶體管 TR1 發(fā)射極電流， I E1 作為發(fā)射極 TR1 連接到 TR2 的基礎。因此：

然后在第一個等式中代替：

其中β 1 和β 2 是各個晶體管的增益。

這意味著當兩個晶體管的電流增益相乘時，第一晶體管的增益乘以第二晶體管的增益給出總電流增益β。換句話說，組合在一起形成單個達林頓晶體管對的一對雙極晶體管可以被視為具有非常高的β值并因此具有高輸入電阻的單個晶體管。

達林頓晶體管示例No1

兩個NPN晶體管以達林頓對的形式連接在一起，以切換12V 75W鹵素燈。如果第一個晶體管的正向電流增益為25且第二個晶體管的正向電流增益（Beta）為80.忽略兩個晶體管上的任何電壓降，計算完全接通燈所需的最大基極電流。 / p>

首先，燈吸取的電流將等于第二個晶體管的集電極電流，然后：

使用上面的等式，基本電流如下：

然后我們可以看到，只有3.0mA的非常小的基極電流，例如由數(shù)字邏輯門或微控制器的輸出端口提供的基極電流，可用于將75瓦燈“開”和“關”切換。 / p>

如果使用兩個相同的雙極晶體管制作單個達林頓器件，那么β 1 等于β 2 ，總體當前收益將為：

一般β 2 很多大于2β，在這種情況下可以忽略它以簡化數(shù)學。然后，配置為達林頓對的兩個相同晶體管的最終等式可寫為：

相同的達林頓晶體管

然后我們可以看到，對于兩個相同的晶體管，β 2 用來代替β，就像一個具有大量增益的大晶體管。達林頓晶體管對的電流增益超過一千，最大集電極電流為幾安培，很容易獲得。例如：NPN TIP120 ，其PNP等效于 TIP125 。

使用這種配置的優(yōu)點是開關晶體管是因為達林頓配置的典型增益可以超過1,000，而通常單個晶體管級產(chǎn)生大約50到200的增益，因此只需要很小的基極電流就可以切換更大的負載電流。

然后我們可以看到增益為1,000：1的達林頓對可以在集電極 - 發(fā)射極電路中切換1安培的輸出電流，輸入基極電流僅為1mA。這使得達林頓晶體管非常適合與繼電器，燈和電機連接到低功耗微控制器，計算機或邏輯控制器，如圖所示。

達林頓晶體管應用

達林頓晶體管的基極足夠敏感，可以響應來自開關的任何小輸入電流或直接來自TTL或5V CMOS邏輯門。任何達林頓對的最大集電極電流 Ic（max）與主開關晶體管相同， TR 2 因此可以使用操作繼電器，直流電動機，螺線管和燈等等。

達林頓晶體管對的主要缺點之一是在完全飽和時基極和發(fā)射極之間的最小電壓降。與完全導通時飽和壓降介于0.3V和0.7V之間的單個晶體管不同，達林頓器件的基極 - 發(fā)射極電壓降（1.2 V而不是0.6 V）是基極 - 發(fā)射極電壓降的兩倍。兩個獨立晶體管的基極 - 發(fā)射極二極管壓降之和，取決于通過晶體管的電流，可以在0.6V至1.5V之間。

這種高基極 - 發(fā)射極電壓降意味著達林頓晶體管可以對于給定的負載電流，它比普通的雙極晶體管更熱，因此需要良好的散熱。此外，達林頓晶體管的ON-OFF響應時間較慢，因為從屬晶體管 TR 1 需要更長時間才能使主晶體管 TR 2 完全開啟或完全關閉。

克服標準達林頓晶體管器件的緩慢響應，增加的電壓降和熱缺點，補充NPN和PNP晶體管可以在相同的級聯(lián)布置中使用，以產(chǎn)生另一種類型的達林頓晶體管，稱為 Sziklai配置。

Sziklai晶體管對

> Sziklai Darlington Pair以匈牙利發(fā)明家George Sziklai命名，是一種互補或復合達林頓器件，由分開的NPN和PNP互補晶體管組成。如下所示。

NPN和PNP晶體管的級聯(lián)組合具有以下優(yōu)點：Sziklai對執(zhí)行與達林頓對相同的基本功能，除了它只需要對于導通和標準達林頓配置的0.6v，對于相同匹配的晶體管，電流增益等于β 2 或者由兩者的乘積給出不匹配的單個晶體管的電流增益。

Sziklai達林頓晶體管配置

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我們可以看到Sziklai器件的基極 - 發(fā)射極電壓降等于信號路徑中單個晶體管的二極管壓降。然而，Sziklai配置不能飽和到小于一整個二極管壓降，即0.7v而不是通常的0.2v。

此外，與達林頓對一樣，Sziklai對的響應時間比a低。單晶體管。 Sziklai對互補晶體管通常用于推挽式和AB類音頻放大器輸出級，僅允許輸出晶體管的一個極性。 Darlington和Sziklai晶體管對均提供NPN和PNP配置。

達林頓晶體管IC

在大多數(shù)電子應用中，控制電路切換直流輸出電壓就足夠了或者當前“ON”或“OFF”直接作為某些輸出設備（例如LED或顯示器）僅需要幾毫安來在低DC電壓下操作，因此可以由標準邏輯門的輸出直接驅動。

然而，正如我們上面所看到的，有時需要更多的功率來操作輸出設備，例如直流電動機，而不是普通的邏輯門或微控制器。如果數(shù)字邏輯器件無法提供足夠的電流，則需要額外的電路來驅動器件。

一種常用的達林頓晶體管芯片是ULN2003陣列。達林頓陣列系列包括ULN2002A，ULN2003A和ULN2004A，它們都是高壓，高電流達林頓陣列，每個陣列在單個IC封裝中包含七個開路集電極達林頓對。

陣列的每個通道都是額定電流為500mA，可承受高達600mA的峰值電流，非常適合控制小型電動機或燈具或高功率半導體的柵極和基極。其他抑制二極管用于感性負載驅動，輸入端固定在輸出端，以簡化連接和電路板布局。

ULN2003A達林頓晶體管陣列

ULN2003A是一種低成本的單極達林頓晶體管陣列，具有高效率和低功耗，因此可用于驅動各種負載，包括螺線管，繼電器直流電機和LED顯示器或白熾燈。 ULN2003A包含七個達林頓晶體管對，每個晶體管對在左側有一個輸入引腳，在右側與輸出引腳相對，如圖所示。

ULN2003A達林頓晶體管陣列

ULN2003A達林頓驅動器具有極高的輸入阻抗和電流增益，可以直接從TTL或+ 5V CMOS邏輯門驅動。對于+ 15V CMOS邏輯，使用ULN2004A，對于高達100V的更高開關電壓，最好使用SN75468達林頓陣列。

當輸入（引腳1到7）被驅動為“高”時，相應的輸出將切換“低”吸收電流。同樣，當輸入被驅動為“低”時，相應的輸出切換到高阻抗狀態(tài)。這種高阻抗“關”狀態(tài)可阻止負載電流并降低通過器件的漏電流，從而提高效率。

引腳8，（GND）連接到負載地或0伏，而引腳9（Vcc）連接到負載供應。然后，任何負載都需要連接在+ Vcc和輸出引腳10到16之間。對于電感負載，如電機，繼電器和螺線管等，引腳9應始終連接到Vcc。

ULN2003A能夠在每個通道切換500mA（0.5A），但如果需要更多的開關電流能力，那么達林頓對輸入和輸出可以并聯(lián)在一起，以獲得更高的電流能力。例如，輸入引腳1和2連接在一起，輸出引腳16和15連接在一起以切換負載。

達林頓晶體管摘要

達林頓晶體管是一種高功率半導體器件，具有比傳統(tǒng)小信號結晶體管高出許多倍的電流和電壓額定值。

標準高功率NPN或PNP晶體管的直流電流增益值相對較低，低至與小信號開關晶體管相比，為20甚至更小。這意味著需要大的基極電流來切換給定的負載。

達林頓布置使用兩個背對背的晶體管，其中一個是主要的載流晶體管，而另一個則是一個小得多的“切換” “晶體管提供基極電流來驅動主晶體管。結果，當兩個晶體管的DC電流增益相乘時，可以使用較小的基極電流來切換更大的負載電流。然后，兩個晶體管組合可以被視為一個單獨的晶體管，具有非常高的β值，因此具有高輸入電阻。

以及標準PNP和NPN達林頓晶體管對，還提供互補的Sziklai Darlington晶體管，它們由在相同達林頓對中連接在一起的獨立匹配的NPN和PNP互補晶體管組成，以提高效率。

此外，達林頓陣列如ULN2003A可提供高功率或電感負載，如燈，螺線管和電機，由機器人和機電一體化應用中的微處理器和微控制器設備安全驅動。